液体火箭发动机作为运载火箭的主动力,一方面它是引发箭体振动的主要激励源,同时自身也是箭体中最恶劣的振动环境的直接承受者,其结构动态特性不仅关系到自身结构安全性,也对全箭结构的动力学环境产生极其重要的影响^[1]; 另一方面,作为发动机结构布局的一项重要内容,发动机推力矢量控制回路(伺服回路)局部频率对箭体姿态控制系统稳定品质产生直接影响^[2-3],因此,结构动态特性分析已成为火箭发动机研制过程中一项重要研究内容。

黄道琼等^[4]针对动力系统中出现的结构低频问题,对某运载火箭一级四机并联发动机结构进行了模态分析,讨论了计算结果对低频环境的影响。梁俊龙等^[5]研究了补燃循环液体火箭发动机整机结构以及主要管路的固有频率和振型,进行了整机结构中的Y形管模态试验,并分析了真实发动机试车时的主导振动频率。杜飞平等^[6]采用子结构试验建模综合技术,对大型四机并联补燃循环液体火箭发动机的结构动态特性进行了研究。邵松林^[7]采用有限元方法对我国某型号火箭发动机进行了模态分析,并结合模态试验数据对模型参数进行了修正,获得了与试验值吻合较高的结果。陶瑞峰等^[8]对某液体火箭发动机推力室、涡轮泵以及排气组件等组合结构的不同状态进行了有限元建模与模态分析,得到了组合结构的动力学特性。杜大华等^[9-10]分别采用不同方法对某大型四机并联液体火箭发动机以及某型发动机喷管的结构动力学问题进行了研究。王成林等^[11]利用柔性接头线性等效模型,建立了固态发动机柔性喷管有限元模型并根据试验数据对其进行了修正。当前,国外在先进液体动力研制时结构动力学设计已经融入结构设计中^[12]。对于火箭总体^[13-15]以及大型复杂航天器^[16],其结构动态特性研究同样重要。

500吨级液氧煤油发动机作为我国载人登月运载火箭的主动力,采用了一台涡轮泵供应两台推力室、泵后摇摆的全新布局方案^[17-18]。该发动机推力较现有发动机大幅提升,具有零部组件多、结构规模大、工况高、工作环境更加复杂恶劣等特点,因此,在发动机结构方案设计阶段,结构动态问题必须考虑。由于发动机结构特性对其结构设计方案较为敏感,因此,在发动机结构方案设计阶段开展整机结构模态分析,可通过发动机结构动态特性参数对发动机结构布局的合理性进行评价,同时也为现有布局方案进一步优化提供参考。

将机架顶端固支,即约束机架上圈板安装孔对应节点的6个方向自由度,得到整机结构的前三阶模态频率分别为8.80,9.65,15.30 Hz,其中前两阶均为喷管横向摆动结构整体模态,第三阶为燃料供应导管局部模态。图7为结构整体典型模态振型(对应为第二阶模态)。不难发现,其主要由伺服回路的横向组合刚度决定。

图7 整机典型模态
Fig.7 Typical modal shape of the engine

由上一节计算结果可以看出,提高伺服回路结构模态频率的一个重要途径是提高伺服回路的横向组合刚度,而决定该刚度大小的主要因素有:工艺拉杆(含上支点)、推力室及其燃气摇摆装置等结构。综合来看,通过改变燃气摇摆装置或者改变推力室结构的实现代价较大,此处考虑通过改变工艺拉杆的横向刚度(截面惯性矩等)或改变工艺拉杆装配布局参数,如工艺拉杆安装倾角(工艺拉杆到推力室中轴线的转角,逆时针为正,见图1中α)来实现。

表3为通过改变工艺拉杆横截面规格使其截面惯性矩分别增加至原状态的2倍和4倍下结构模态计算结果。对比上一节中前三阶模态频率可以看出,通过参数调整,伺服回路的首阶模态频率仅提升了约5%,第二阶频率也仅提升了不到8%。可见,在现有布局状态下,通过工艺拉杆刚度对结构前两阶整体模态频率影响并不显著。

表3 不同工艺拉杆截面下的整机模态频率
Tab.3 Modal frequencies of the engine under different section of the pull rod 单位:Hz

在其他状态均不改变的情况下,调整工艺拉杆倾角,表4为对应的计算结果。从表4可以看出,当工艺拉杆倾角改变时,结构整体前两阶模态频率最大提升了12%和58%(均对应工艺拉杆倾角为9°的工况)。可见,增大工艺拉杆倾角对提升结构前两阶模态频率效果明显,表明该方式是优化结构低频特性的一个重要途径。第二阶模态频率提升幅度明显高于首阶模态,主要是因为第二阶模态主要表现为绕x轴方向的摆动,由图1可以看出,此方向上的横向组合刚度受工艺拉杆倾角影响最为显著,因此对此阶模态影响较大,而首阶模态的摆动方向与x轴存在较大夹角,增大x方向的横向组合刚度,其对该模态摆动方向的横向组合刚度贡献有限,而绕y轴方向的横向刚度并未显著增加,因此首阶模态频率提升幅度较小。

表4 不同工艺拉杆倾角下整机模态频率
Tab.4 Modal frequencies of the engine under different dip angle of the pull rod

本文针对500吨级液氧煤油发动机的结构特点,结合高压燃气波纹管组件的模态试验结果,采用子结构有限元模型组装的方法形成了整机有限元模型。

整机模态计算结果表明,现有布局方案下,整机的首阶模态频率约为8.8 Hz。通过对多因素影响下的伺服回路模态计算结果分析表明,改变工艺拉杆倾角对提升伺服回路相应方向上的横向刚度作用最为显著,可显著提升其对应方向的模态频率。

后续拟进一步开展组件级以及系统级的模态试验,修正计算模型,开展摇摆软管多种状态下的模态试验和建模研究。